Що треба знати про нейтронні зорі

Нейтронні зорі — це одні з найекзотичніших об’єктів у Всесвіті. Вони народжуються під час вибухів наднових і можуть проявляти себе багатьма цікавими способами, зокрема і перетворюючись на чорні діри. Крім того, вони мають неймовірні властивості, про які люди зазвичай мало що знають.

Нейтронна зоря
Нейтронна зоря

Як утворюються нейтронні зорі?

Нейтронним зорям не пощастило з піаром. У той час як чорні діри в усіх на слуху, про їхніх близьких родичів люди переважно знають те, що вони існують і мають надзвичайно високу щільність. Проте насправді цим цікаві речі про них не обмежуються. Для того, аби зрозуміти усе, що стосується цих екзотичних об’єктів, треба почати з їхнього утворення.

Коли зоря з масою, що перевищує сонячну принаймні у 8-10 разів, завершує своє існування, то вона перебуває на стадії дуже масивного червоного гіганта або надгіганта. Термоядерні реакції всередині неї призводять до перетворення спочатку водню, а потім і гелію у важчі елементи.

Однак чим далі у періодичній таблиці розташований елемент, тим менша енергія, що виділяється при його термоядерному синтезі. Плазма зорі розігрівається все менше і тиск газу починає поступатися силам гравітації. Ядро світила, що складається з дедалі важчих атомів, починає стискатися.

В якийсь момент всередині синтезується залізо — елемент, ядра якого мають найвищу енергію зв’язку і синтез яких не виділяє енергію, а поглинає її. Саме тоді термоядерні реакції припиняються і велетенська зоря вибухає як наднова. Більша частина її маси викидається у вигляді ударної хвилі, газу, насиченого важкими елементами. Ця речовина утворює холодні протопланетні хмари, в яких потім народжується нове покоління зір та планет.

Однак ядро мертвого світила лишається неушкодженим. І його подальша доля залежить від маси. Якщо вона перевищує межу Толлмана-Оппенгеймера-Волкова, яка зараз оцінюється у трохи більше ніж дві маси Сонця, то цей об’єкт продовжить стискатися далі, аж поки не перетвориться на чорну діру. У іншому ж випадку він стане нейтронною зорею.

З чого складається нейтронна зоря?

Зараз у нашій галактиці відкрито близько 3200 чорних дір. Усі вони важать від 1,1 до 2,14 маси Сонця, тобто є приблизно одного розміру. Причини цього полягають у їхній внутрішній будові. Коли зоря тільки готується стати надновою, температура в її ядрі може сягнути неймовірних 9 млрд градусів за Кельвіном. У цих умовах ядра заліза починають руйнуватися, а потім протони й електрони починають зливатися, утворюючи нейтрони.

Ядро зорі перетворюється на щільне пакування цих частинок із густиною .4х1017 кг/м3. Для подальшого стиснення треба їх зруйнувати й для цього потрібні надзвичайно великі сили гравітації. Власне, умови, коли нейтронне ядро вже може утворитися, але гравітаційні сили ще не здатні його зруйнувати, й визначають вказаний вище діапазон мас.

При цьому нейтронні зорі — зовсім невеликі об’єкти. Їхній діаметр складає близько 10-12 км. І вони не повністю складаються з нейтронів. Зовні, як передбачається, вони мають залізну кору завтовшки близько 1 км.

Утворення нейтронної зорі
Утворення нейтронної зорі. Джерело: Вікіпедія

Ще однією особливістю утворення нейтронних зір є те, що саме ось цей крихітний у порівнянні з початковим світилом об’єкт отримує більшу частину його кутового моменту і маси. Це призводить до неймовірно високих швидкостей обертання нейтронної зорі та виникнення потужних магнітних полів.

Властивості нейтронних зір

Саме про магнітні поля в першу чергу згадують, коли йдеться про нейтронні зорі. Їхні розміри справді вражають. Вони складають від 10 тис. до 100 млрд тесла (Т). Для порівняння, магнітного поля напруженістю всього в 16 Т у земних лабораторіях достатньо для того, аби примусити літати жабу.

Другою особливістю нейтронних зір, яку часто згадують, є їхня неймовірна густина. Усього одна чайна ложка нейтронію з їхніх глибин важила б у 900 разів більше, ніж Велика піраміда в Гізі.

Внутрішня будова нейтронної зорі
Внутрішня будова нейтронної зорі. Джерело: Вікіпедія

Ще однією особливістю нейтронних зір, яку не так часто згадують, є те, що вони надзвичайно гарячі. У момент утворення температура їхньої поверхні може сягати трильйона кельвінів (К). Щоправда, впродовж кількох років ця температура достатньо швидко знижується до 1 000 000 К, але потім цей процес уповільнюється. Тож протягом мільярдів років свого існування нейтронні зорі залишаються одними з найгарячіших об’єктів у Всесвіті.

Висока температура поверхні нейтронних зір призводить до того, що пік їхнього випромінювання припадає на рентгенівський діапазон. Внаслідок цього у звичайні телескопи побачити їх практично неможливо.

Наступною особливістю нейтронних зір є їхнє потужне гравітаційне поле. Сила тяжіння біля них сильно поступається такій у чорних дір, проте вона достатньо сильна для того, аби розірвати на шматки будь-який матеріальний об’єкт, що наблизиться до них ближче, ніж на кілька кілометрів.

Нейтронна зоря у порівнянні із Нью-Йорком
Нейтронна зоря у порівнянні з Нью-Йорком. Джерело: www.businessinsider.com

Але якби ми вціліли при цьому та здійснили посадку на поверхню нейтронної зорі, то зіштовхнулися б із ще одним наслідком високої густини — ефектом сповільнення часу. За кожні 8 років на поверхні цього об’єкта на Землі минало б десятиліття.

Одиночні нейтронні зорі

Нейтронні зорі можуть породжувати надзвичайно широкий спектр явищ залежно від того, у яких умовах вони перебувають. Найпростіший випадок стається тоді, коли цей об’єкт опиняється на самоті й ні з чим навколо не реагує. У такому разі він стає майже настільки ж малопомітним, як чорна діра.

З відстані, що перевищує кілька світлових років, його видно майже виключно у рентгенівському діапазоні. Цілком можливо, що абсолютна більшість нейтронних зір у Чумацькому Шляху належать до цього типу, але ми їх просто не бачимо.

Магнетар
Магнетар. Джерело: edition.cnn.com

Різновидом самотньої нейтронної зорі є компактний центральний об’єкт всередині залишку наднової. Його так само можна побачити, тільки в рентгенівському діапазоні, проте саму туманність, що виникла на місці вибуху зорі, добре видно навіть у видимій частині спектра. Тож знайти їх відносно нескладно.

Іншим випадком самотньої нейтронної зорі є магнетар. Ці об’єкти за масою та радіусом нічим не відрізняються від решти, проте мають магнітні поля, потужніші за 109 Т. У таких умовах будь-яка частинка, що розташована поблизу них, отримує величезну енергію і випромінюється у гамма-діапазоні.

Пульсари

Магнітне поле нейтронних зір має дипольну природу, тобто у нього є полюси. І саме там відбуваються найцікавіші процеси. Народжуються високоенергетичні фотони, що взаємодіють із частинками в магнітних полях і породжують сильне випромінювання у радіодіапазоні.

Пульсар
Пульсар. Джерело: Вікіпедія

Коли осі обертання нейтронної зорі та її магнітного поля збираються, цей потік весь час вказує в одну й ту саму точку, і сторонньому спостерігачу дуже важко його помітити. Проте інколи між ними є кут. Тоді промінь радіовипромінювання починає описувати кола, і його стає видно значно більшому числу спостерігачів.

Оскільки швидкість обертання нейтронних зір надзвичайно висока, то за секунду промінь встигає повернутися до спостерігача десятки, а то і сотні разів. Виникає ефект сигналу, що повторюється з надзвичайно чіткою періодичністю.

Такі об’єкти ми називаємо пульсарами. Саме до них належала перша нейтронна зоря, яку вчені відкрили у 1967 році. Тоді вони спочатку вирішили, що це інопланетяни сигналять нам таким чином, проте згодом виявили дійсну природу об’єкта.

Пульсар в центрі Крабоподібної туманності
Пульсар в центрі Крабоподібної туманності. Джерело: Вікіпедія

Зміщені відносно осі обертання магнітні полюси можуть бути й у магнетара. У такому разі він називається аномальним рентгенівським пульсаром. Для земного спостерігача така нейтронна зоря здається джерелом високочастотних імпульсів, які повторюються з періодичністю від 2 до 12 секунд, причому період залишається незмінним.

Подвійні рентгенівські зорі

Якщо нейтронна зоря є частиною тісної подвійної системи, то з нею відбуваються значно цікавіші речі. Подібних об’єктів є кілька типів, залежно від того, яка зоря утворює з ядром мертвої зорі пару. Це може бути будь-яке світило — від білого карлика до надгіганта.

Проте загальна картина в усіх випадках приблизно однакова. Нейтронна зоря відтягує на себе частину зовнішніх шарів компаньйона, і цей газ формує навколо неї акреційний диск. Поступово він падає на її поверхню, що й викликає посилення рентгенівського випромінювання.

Мілісекундний пульсар
Мілісекундний пульсар. Джерело: cerncourier.com

Такі системи є різновидом рентгенівських подвійних зір. Іншим типом є пари, в яких компаньйоном звичайного світила є чорна діра. Науковці дуже зацікавлені у вивченні подібних систем, адже вони є природніми лабораторіями, в яких виявляються особливості еволюції різних космічних об’єктів.

Особливим випадком подвійної рентгенівської системи є мілісекундний пульсар. Він утворюється тоді, коли нейтронна зоря, що входить до пари, має зміщені відносно осі обертання полюси магнітного поля. На початку свого існування вона поводиться так само, як будь-який інший пульсар, із тією лише відмінністю, що його промінь, крім радіодіапазону, помітний ще й у рентгенівському.

Проте з часом падіння на поверхню матеріалу із сусідньої зорі призводять до приведення їхнього обертання. Імпульси стають все частішими й частішими, аж поки їхній період не зменшується до тисячних часток секунди. Така висока швидкість обертання і точна періодичність дуже цікавлять вчених.

Адже мілісекундні пульсари можна використовувати як детектори гравітаційних хвиль. Коли одна з них, що є викривленням простору, проходить крізь такий об’єкт, то його періодичність збивається ніби без усіляких причин. Таким чином можна зареєструвати навіть ті явища, що занадто слабкі для найточніших наземних обсерваторій.

Зоретруси та транзієнтні події на нейтронних зорях

Проте дива, пов’язані з нейтронними зорями, не завершуються. Наприклад, час від часу ці об’єкти стрибкоподібно збільшують швидкість свого обертання на невелику величину. Вважається, що це пов’язано з процесами, які відбуваються всередині них.

«Зоретрус» на пульсарі
«Зоретрус» на пульсарі. Джерело: Вікіпедія

Що вони собою являють, вчені досі не впевнені, адже про внутрішню будову цих об’єктів ми практично нічого не знаємо. Проте найбільш популярна теорія говорить про те, що зазвичай нейтронне ядро цих об’єктів перебуває у надтекучому стані. Тому між ним та зовнішньою залізною корою немає тертя.

Проте час від часу такий стан речей порушується і кора зминається. Виникає явище, подібне до зоретрусів, які часто спостерігаються на зорях через коливання магнітного поля. У цьому випадку радіус нейтронної зорі змінюється і швидкість обертання зростає.

Крім змін швидкості обертання, з нейтронними зорями іноді стаються і значно драматичніші події. Астрономам відомо чимало подій на небі, які тривають лічені секунди, години чи місяці. Їх називають транзієнтами й деякі з них можуть бути пов’язані з нейтронними зорями. Прикладом тут можуть бути швидкі радіосплески — дуже потужні радіоімпульси, які тривають лише кілька мілісекунд і приходять до нас ніби нізвідки. Найбільш імовірним їхнім джерелом є деякі процеси, що відбуваються на магнетарах чи, можливо, пульсарах.

Кілонова
Кілонова. Джерело: www.universetoday.com

Іншим прикладом пов’язаного з нейтронними зорями транзієнта є спалах кілонової. Він відбувається тоді, коли зливаються разом дві нейтронні зорі чи нейтронна зоря та чорна діра. У цьому випадку відбувається не тільки спалах випромінювання в усіх спектрах, а й народження гравітаційних хвиль.

Планети пульсарів

На додачу до всього вищепереліченого, нейтронні зорі можуть мати планети. Власне, три перші світи за межами Сонячної системи у 1992 році були знайдені у пульсара PSR B1257+12.

З огляду на те, що будь-яка нейтронна зоря є залишком наднової, постає цікаве питання про те, чи існували такі планети ще в часи, коли нейтронна зоря була нормальним світом, чи утворилися вже після вибуху наднової з її решток; є рештками зорі-компаньонки чи взагалі світами-сиротами, що були захоплені гравітацією пульсара.

Пульсарна планетаю Джерело
Пульсарна планета. Джерело: Вікіпедія

На сьогодні вчені не виключають жодної з цих версій для різних відомих пульсарних планет. Проте конкретно для планет PSR B1257+12 ймовірність того, що вони могли пережити спалах наднової, вважається дуже низькою.

Як далеко від нас розташовані нейтронні зорі?

Нейтронні зорі можуть лякати та заворожувати людей. Однак про них треба знати ще одну важливу річ. Вони розташовані надзвичайно далеко від Землі. Те, що пульсарів відкрито так багато, пояснюється тим, що ми можемо бачити їх з величезної відстані. Наприклад, об’єкт, відкритий у 1967 році, розташований на відстані понад 1000, а PSR B1257+12 разом зі своїми планетами — за 2300 св. років від нас.

Карта пульсарів на табличці «Піонера-10»
Карта пульсарів на табличці «Піонера-10». Джерело: Вікіпедія

Магнетари та подвійні рентгенівські зорі, які потенційно можуть становити для нас небезпеку через радіацію, перебувають ще далі. А от ізольовані «тихі» нейтронні зорі, навпаки, можуть бути ближчими. Зокрема, добре відомою є «чудова сімка» — група об’єктів, що розташовані на відстані від 400 до 1600 св. років від нас.

У будь-якому разі зустріч із будь-яким із цих об’єктів нам у найближчі кілька мільйонів років не загрожує. Тож і вимирання людства через швидкий радіосплеск чи вибух кілонової теж не передбачається.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine

Як у ранній Сонячній системі були розподілені метали
Земна атмосфера здатна захистити нас від близького спалаху наднової
Вони серед нас: вчені Гарварду припускають, що прибульці маскуються під людей
NASA витратить 19,5 млн доларів на запуск фальшивої зірки
Марсохід Perseverance доїхав до Світлого янгола
Подорож до Марса ціною нирок: організм людини не витримає міжпланетний переліт
В Англії екоактивісти облили фарбою стародавню обсерваторію
Кратери та іржа: TGO зазнімкував багату на метали ділянку на Марсі
Темою міжнародного хакатону NASA у 2024 році стане Сонце
Червоні та коричневі карлики: Дуже Великий телескоп знайшов приховані супутники яскравих зір